ФИЗИКА, ГРУППА № 36, 28.09.2021 г.
Занятие № 12
Тема: Некоторые применения интерференции.
Цель: изучение явления интерференции света в науке и технике.
План:
1. Применение интерференции.
2. Проверка качества обработки поверхностей.
3. Просветление оптики.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Применение интерференции.
Явление интерференции света находит широкое применение в науке и технике. Применения интерференции очень важны и обширны. Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции.
Интерферометры - оптические приборы, основанные на явлении интерференции световых волн. Интерферометры получили наибольшее распространение как приборы для измерения длин волн спектральных линий и их структуры; для измерения показателя преломления прозрачных сред; в метрологии для абсолютных и относительных измерений длин и перемещений различных объектов; измерения угловых размеров звезд; для точного контроля формы, микрорельефа и деформации поверхности оптических деталей и чистоты металлических поверхностей, в исследовании потоков жидкостей и газов и т.д. Имеются интерферометры специального назначения.
Проверка качества обработки поверхностей.
Значимым применением явления интерференции является проверка качества обработки поверхностей. Именно с помощью интерференции можно оценить качество шлифовки изделия с погрешностью до 0,01 мкм. Для этого нужно создать тонкую прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной.
Тогда неровности на шлифуемой поверхности изделия, превышающие 0,01 мкм, вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующих при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани эталонной пластины.
В частности, качество шлифовки поверхности изготавливаемой линзы можно проверить, наблюдая кольца Ньютона. Кольца будут правильными окружностями только в том случае, если поверхность линзы строго сферическая. Любое отступление от сферичности, больше чем 0,1 длины интерферирующих световых волн, будет заметно сказываться на форме колец. В том месте, где на поверхности изготавливаемой линзы имеется искажение геометрически правильной сферичности, кольца Ньютона не будут иметь формы геометрически правильной окружности.
Используя почти строго монохроматический свет, можно наблюдать интерференционную картину при отражении от плоскостей, находящихся друг от друга на большом расстоянии (порядка нескольких метров). Это позволяет измерять расстояния в сотни сантиметров с погрешностью до 0,01мкм.
Просветление оптики.
Ещё одним важнейшим применением явления интерференции на практике является просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверхностей в современных фотообъективах превышает 10, а в перископах подводных лодок доходит до 40. При падении света перпендикулярно поверхности доля отраженной от нее энергии составляет 5—9% от всей энергии. Поэтому сквозь прибор часто проходит всего 10—20% поступающего в него света. В результате этого освещенность изображения получается слабой. Кроме того, ухудшается качество изображения. Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения. На фотографических изображениях по этой причине образуется «вуаль». Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхностей оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света. Получаемое с помощью прибора изображение становится при этом ярче, просветляется. Отсюда и происходит термин просветление оптики.
Просветление оптики основано на явлении интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления nп, меньшим показателя преломления стекла nс. Для простоты рассмотрим случай нормального падения света на пленку.
Разность хода световых волн 1 и 2, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, равна удвоенной толщине пленки 2h. Длина волны λп в пленке меньше длины волны λ в вакууме в nп раз:
Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, разность хода должна быть равна половине длины волны в пленке:
Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы добиться этого, подбирают соответствующим образом показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух граничащих сред.
На линзу при обычных условиях падает белый свет. Последнее выражение показывает, что требуемая толщина пленки зависит от длины волны. Поэтому осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы добиться полного гашения при нормальном падении для длин волн средней части спектра (зеленый цвет, λз ≈ 5,5 • 10-5 см). Она должна быть равна четверти длины волны в пленке:
Отражение света для крайних участков спектра — красного и фиолетового — будет несколько меньшим. Поэтому объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок.
Сейчас даже простые дешевые фотоаппараты снабжены просветленной оптикой.
Основная литература по теме урока:
1) Учебник «Физика 11» Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, М. «Просвещение»
2) интернет ресурсы
Домашнее задание: изучить материал, сделать краткий конспект.